DE4030316B4 - Filter mit teilchenförmigem Sorptionsmittel - Google Patents

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Abstract

Filterstruktur mit Substratelementen aus längs ausgerichteten Fäden und/oder Streifen, die jeweils mit an ihnen anhaftendem teilchenförmigen Sorptionsmittel vorbeschichtet sind und die zu der Filterstruktur zusammengefaßt sind, welche bis zu 15 solcher Substratfäden enthält und im wesentlichen vollständig aus dem teilchenförmigen Sorptionsmittel besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft Filter, welche sich insbesondere als Tabakrauchfilter eignen, nicht jedoch auf diese Anwendung beschränkt sind, und welche ein teilchenförmiges Sorptionsmittel enthalten, z.B. Aktivkohle, Silicagel, Sepiolit, Aluminiumoxid, Ionenaustauscher usw.
  • Aus der DE 1 082 542 C ist ein Filterelement für Tabakrauch bekannt, das aus in Filterlängsrichtung verlaufenden Fasern besteht, die mit Zusatzstoffpartikeln befrachtet sind, welche schädliche Bestandteile aus dem Rauch herausfiltern sollen. Gemäß der US 3 413 982 können die Fasern aus Cellulosematerial bestehen, und die Partikel werden durch Karbonpartikel gebildet, die mit Hilfe eines Ethylen-Copolymer-Bindemittels an den Fasern haften. Auch in der AT 267 389 ist ein solches Filter in Kombination mit einem partikelfreien Filterabschnitt beschrieben. Bei derartigen Filtern bilden die Fasern eine tragende Struktur, welche die Partikel in dieser Struktur verteilt festhält, wobei gemäß der erwähnten US-Patentschrift der Gewichtsanteil der Karbonpartikel etwa 80% des Gesamtgewichts des Filterstopfens betragen kann.
  • Ferner ist es aus der DE 12 74 946 B bekannt, bei einem Tabakrauchfilter die Zusatzstoffe auf einen fortlaufenden Fadenstrang dadurch aufzubringen, dass der mit einem Klebmittel beschichtete Fadenstrang durch einen Behälter geführt wird, in welchem Partikel des Zusatzstoffes mit Hilfe eines unten in den Behälter eingeführten Gases in Bewegung gehalten werden. Gemäß einem weiterhin aus der DE 24 40 821 B2 bekannten Verfahren kann Filtermaterial kontinuierlich um einen Röhrchenstrang gepresst werden, um anschließend mit Zigarettenpapier umhüllt zu werden.
  • In der Praxis gibt es grundsätzlich drei Möglichkeiten, Sorptionsmaterial zu verwenden:
    • 1. wie in den genannten Entgegenhaltungen werden die Partikel über das Volumen des Stopfens aus üblichem Filtermaterial verteilt,
    • 2. lose Partikel werden in einen Hohlraum zwischen zwei üblichen Stopfen eingefüllt und
    • 3. die Partikel werden zu einem zusammenhängenden porösen Stopfen miteinander verbunden.
  • Im ersten Fall besteht eine Grenze für die Menge der Sorptionspartikel, welche eingebracht werden können, und bei höherer Beladung ist es nicht möglich, die erwünschte Gleichmäßigkeit des Stopfens oder das sichere Festhalten der Partikel, welches zu ihrer Handhabung und zum Zerschneiden notwendig ist, zu erhalten
  • Im zweiten Falle der Verwendung loser Partikel besteht zwar keine Grenze für die Beladung, jedoch sind Probleme bei der Produktion und beim Handling unvermeidlich und schwerwiegend, insbesondere beim Ausrichten der Schneidmaschine, durch welche der zunächst hergestellte Filterstab schnell hindurch bewegt wird, und wenn man durch einen mit losen Partikeln gefüllten Hohlraum hindurchschneidet, hat dies katastrophale Folgen. Problematisch ist ferner immer noch, wenn lose Partikel vagabundieren und in andere Teile der Zigarette gelangen, wo sie nicht hingehören, so dass das Erzeugnis unansehnlich wird oder seine Eigenschaften beeinträchtigt werden. Auch können solche vagabundierenden Partikel die Funktion der Maschine beeinträchtigen und vorzeitige Abnützung bewirken.
  • Im dritten Fall eines aus miteinander verbundenen Partikeln bestehenden Stopfens lassen sich zwar diese Handhabungsprobleme vermeiden, aber in der Praxis ist es bisher nicht möglich gewesen, einen solchen Stopfen herzustellen, in welchem das Sorptionsvermögen der Partikel maximal ausgenutzt wird.
  • Die verschiedenen bekannten Verfahren zum Herstellen solcher Filter lassen wegen Produktionsproblemen, Problemen hinsichtlich der Steuerung der Qualität und Gleichförmigkeit des Produkts und Problemen wegen des Verschleißes der Produktionseinrichtungen zu wünschen übrig.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Tabakrauchfilter gleichzeitig eine hohe Partikelkonzentration ohne Beeinträchtigung der Sorptionsfähigkeit unter Vermeidung gravierender Herstellungs- und Handlingprobleme zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Erst die Erfindung hat es möglich gemacht, die drei oben genannten, bisher nicht miteinander zu vereinbarenden Ziele zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß ist die Beladung mit Partikeln sehr hoch, die Sorptionswirkung wird praktisch nicht verschlechtert, und der Zusammenhalt der Partikel ist erstaunlich gut, so dass lose Partikel keine Probleme bilden. Während weiterhin bei allen drei oben genannten Typen die am häufigsten benutzten Partikelmaterialien, speziell Aktivkohle, die sehr schnell arbeitenden Messer der Produktionsmaschinen rasch stumpf werden lassen, können die erfindungsgemäßen Filter überraschenderweise ohne übermäßige Abnutzung einfach geschnitten werden.
  • Ein Filterstab gemäß der Erfindung besteht aus Substratfäden und/oder -streifen, die individuell mit teilchenförmigem Sorptionsmittel, das an ihnen haftet, vorbeschichtet sind und in Form eines Stabes zusammengefasst und zusammengehalten werden, z.B. durch eine umhüllende Manschette, wie eine extrudierte Manschette oder Umhüllung oder eine Stopfenumhüllung mit einem überlappten und geklebten Saum. Die Fäden und/oder Streifen des Filterprodukts verlaufen im allgemeinen in Längsrichtung des Stabes.
  • Das teilchenförmige Sorptionsmittel wird zweckmäßigerweise mit dem Faden oder den Fäden und/oder dem oder den Streifen durch einen Heißkleber, hochschmelzendes Polyethylenglykol oder einen Emulsionskleber wie PVA verbunden. Als Heißkleber eignen sich für die Zwecke der Erfindung insbesondere verschiedene Polyester-Kleber. Das jeweils verwendete Sorptionsmittel kann eine einheitliche Substanz oder eine Mischung sein und diesen kann ein anderes Material zugemischt sein.
  • Der erfindungsgemäße Stab aus sorptionsmitteltragenden Fäden und/oder Streifen kann rohrförmig sein und in diesem Falle einen Kern enthalten. Dieser Kern kann aus einem konventionellen Rauchfiltermaterial (z.B. einem Faserstrang, Stapelfasern oder Kreppapier), einer offenendigen Röhre oder einem nichtpermeablen oder wenig permeablen Teil bestehen, der zum Gesamtdruckabfall des Filters beiträgt, jedoch wenig oder keine Filterwirkung aufweist.
  • Die umhüllende Manschette der vorliegenden Filter kann aus einem rauchdurchlässigen oder rauchundurchlässigen Material bestehen und kann in beiden Fällen perforiert sein.
  • Wenn die teilchenförmigen Überzüge auf den Fäden oder Streifen selbst mit Kleber (z.B. einem hitzeaktivierbaren Kleber) versehen sind, kann die Verbindung beim Zusammenfassen der überzogenen Fäden oder Streifen bewirkt oder eingeleitet werden, wobei ein verbundener oder verklebter Stab erhalten wird, der auch ohne eine umgebende Manschette formstabil ist; die Kleberschicht muß dann diskontinuierlich sein (z.B. eine Pulverbeschichtung), damit sie die Sorptionseigenschaften des teilchenförmigen Sorptionsmittels nicht ungebührlich beeinträchtigt. Es wird jedoch im allgemeinen vorgezogen, eine den Stab zusammenhaltende oder umhüllende Manschette vorzusehen, auch wenn die vorbeschichteten Fäden oder Streifen miteinander verbunden sind.
  • Die vorgefertigten, mit Sorptionsmittelteilchen beschichteten Fäden werden zweckmäßigerweise unter Verwendung einer konventionellen Vorrichtung zu einem Stab zusammengefaßt und umhüllt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Zuführung der ein teilchenförmiges Sorptionsmittel tragenden Fäden und/oder Streifen, ihr Zusammenfassen sowie ihre Verarbeitung zu einem massiven oder rohrförmigen Stab (gewöhnlich mit Anbringen einer umhüllenden Manschette) und das Schneiden des resultierenden länglichen Produkts in Stücke kontinuierlich und fortlaufend unter Verwendung konventioneller Filterherstellungsmaschinen erfolgen. Wenn der Stab rohrförmig sein soll, können die Fäden und/oder Streifen um einen zentralen Dorn zusammengefaßt werden; wenn der rohrförmige Stab einen Kern haben soll, kann der Kern kontinuierlich zugeführt werden (z.B. durch einen hohlen Dorn), während die ein teilchenförmiges Sorptionsmittel tragenden Fäden und/oder Streifen um ihn herum zusammengefaßt und umhüllt werden; kontinuierliche, In-Line-Verfahren und Einrichtungen hierfür sind in der Zigarettenfiltertechnik bekannt.
  • Der Faden oder die Fäden und/oder der oder die Streifen können im Zuge des oben erwähnten kontinuierlichen, fortlaufenden Herstellungsprozesses mit Kleber überzogen werden (beispielsweise indem man sie gleichzeitig durch ein Bad oder einen anderen Vorrat eines aktiven Klebers oder Bindemittels zieht) und dann mit teilchenförmigem Sorptionsmittel (beispielsweise indem man sie gleichzeitig durch einen Behälter, ein Fließbett, einen umgewälzten Strom oder einen anderen Vorrat des Sorptions-mittels zieht, während der Kleber aktiv ist); die kleberbeschichteten Fäden und/oder Streifen können auch getrennt hergestellt oder von einem Lieferanten außer Haus bezogen werden wobei dann die Akti vierung (z.B. Erweichung durch Wärmeeinwirkung) des Klebers und das Aufbringen des teilchenförmigen Sorptionsmittels im Zuge der Filterherstellung und kontinuierlich mit dieser durchgeführt werden. Ein gleichförmiges Aufbringen des Klebers (beispielsweise aus einem Bad flüssigen Polyvinylalkohols, PVA) kann durch Aufrakeln bewirkt werden, beispielsweise durch eine Öffnung oder an oder zwischen einer Rakel oder Rakeln. Die Beladung der kleberbeschichteten Fäden oder Streifen mit teilchenförmigem Sorptionsmittel wird gewöhnlich so groß wie möglich sein und von Faktoren, wie Teilchengröße, Faden- oder Streifenumfang usw. abhängen.
  • Additivbeschichtete Fäden werden Streifen für die Zwecke der Erfindung vorgezogen; man kann soviel additivbeschichtete Fäden verwenden wie man will, z.B. 20 oder mehr pro Stab; für die meisten Zwecke werden bis zu 15 Fäden, z.B. 5 bis 10 oder 12, im Filterkörper genügen. Die Additiv- oder Sorptionsmittelbeladung pro Faden kann in weiten Grenzen schwanken (z.B. von 0,25 bis 2,0 mg/mm), dasselbe gilt für die Gesamtbeladung pro Element (z.B. von 25 bis 200 mg für eine Spitze oder ein Filterelement von 20 mm Länge) je nach den Anforderungen an das Produkt.
  • Die Filterbeladung kann selbstverständlich durch Wahl der Anzahl der Fäden und/oder ihrer Beladung kontrolliert werden. Eine hohe Beladung der Fäden und/oder Streifen ergibt Elemente, die fast ganz aus teilchenförmigem Sorptionsmittel bestehen, ohne daß sie die Nachteile der bekannten Typen teilchenförmiger Filterkomponenten und ihrer Herstellungsverfahren aufweisen. Filterelemente gemäß der Erfindung können eine kleine Menge anderen Materials enthalten (z.B. andere Fasern oder Filamente oder Teilchen oder Additive), sie bestehen jedoch vorzugsweise im wesentlichen ganz aus an den Fäden und/oder Streifen haftendem Sorptionsmittel (außer selbstverständlich einer äußeren Umhüllung und eines Kernes, falls diese vorhanden sind.
  • Auch andere Parameter können entsprechend den Anforderungen an das Produkt stark schwanken, beispielsweise das Gewicht oder die Masse pro Länge, wenn Fäden dazu verwendet werden, das teilchenförmige Sorptionsmittel zu tragen, die Teilchengröße des Sorptionsmittels usw. Ein geeigneter additivtragender Faden hat beispielsweise etwa 100 oder 500 dtex; geeignete Teilchengrößenbereiche für Aktivkohle sind z.B. 500 bis 1400 μm und 210 bis 500 μm (entsprechend entsprechend BS 410 normal 12/30 bzw. 30/70).
  • Die bei den vorliegenden Filtern verwendeten Fäden oder Streifen können aus irgendeinem unschädlichen Material bestehen. Die Fäden oder Streifen können aus einem Textilmaterial bestehen, z.B. einem oder mehreren Monofilamenten, einem Garn oder einem Faserband oder einem Zwirn, oder einem gewebten oder nichtgewebten Band. Ein geeignetes Fadenmaterial ist Nähfaden, insbesondere wegen seiner Gleichförmigkeit. Die Identität oder Gleichartigkeit der Fäden ist nicht kritisch und sie können aus natürlichen und/oder synthetischen Fasern bestehen. Rayon, Nylon und Polyester sind zufriedenstellende Materialien für die Fäden, ein anderes geeignetes Material ist Baumwolle, insbesondere mercerisierte Baumwolle, wie sie für Nähfaden guter Qualität verwendet wird.
  • Zumindest ein Teil des verwendeten teilchenförmigen Sorptionsmittels kann einen Duft- oder Aromastoff tragen, oder es kann ein anderes Material, das einen Duft- oder Aromastoff trägt, inkorporiert werden.
  • Die Erfindung ermöglicht es, Aktivkohle und andere teilchenförmige Sorptionsmittel in Tabakrauchfilter unter Verwendung konventioneller Einrichtungen zu inkorporieren, ohne daß dadurch Produktions- oder Einrichtungsprobleme auftreten; insbesondere läßt sich leicht eine gleichförmige Sorptionsmittelbeladung erreichen und diese läßt sich erforderlichenfalls einfach und genau ändern. Die erfindungsgemäßen Filter gestatten es dem teilchenförmigen Sorptionsmittel, das an dem Faden oder den Fäden und/oder dem oder den Streifen haftet, seine Filterwirkung ungehindert oder im wesentlichen ungehindert auf den Tabakrauchstrom auszuüben; die vorliegenden Filter bewirken daher eine gute Zurückhaltung von dampfförmigen Rauchanteilen.
  • Die erfindungsgemäßen Filter können kontinuierlich hergestellt und in Stücke bestimmter begrenzter Länge zerteilt werden. Die individuellen Stücke können dann jeweils selbst als Filter für eine Zigarette verwendet werden (z.B. für schlanke Zigaretten, die typischerweise einen Umfang von etwa 18 mm aufweisen), vorzugsweise werden sie jedoch longitudinal fluchtend mit mindestens einem anderen Filterelement als Teil eines Mehrfach- oder Kombinations- (z.B. Doppel- oder Dreifach-) Zigarettenfilters verwendet, vorzugsweise wird ein individuelles Filter gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem longitudinal fluchtenden mundseitigen Element konventionellen Aussehens verwendet, beispielsweise einem gleichförmigen Stopfen aus Zelluloseacetat-Faserkabel.
    •
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Bei den Beispielen 1 bis 4 wurden mit Kleber vorbeschichtete Polyester- oder Nylonfäden mit etwa 550 dtex verwendet. Das im speziellen verwendete Sorptionsmittel bestand aus Aktivkohlegranulat mit Teilchengrößen zwischen 710 und 1400 μm (BS 12/22). Bei jedem Beispiel wurde die angegebene Anzahl von Fäden gleichzeitig durch ein Bad aus flüssigem PVA-Kleber gezogen, wobei ein gleichförmiger Auftrag durch Rakeln bewirkt wurde, und dann wurden die Fäden durch einen zirkulierenden Strom des Aktivkohlegranulats geführt, um die erwähnte Aktivkohlebeladung zu bewirken. Die kohletragenden Fäden wurden dann durch eine konventionelle Umhüllungsgarnitur geführt, in der sie zusammengefaßt und mit einer perforierten Ecusta-Heißkleber-Stopfenumhüllung umwickelt wurden, um kontinuierlich einen Stab zu erzeugen, der beim Austreten in Stücke bestimmter Längen zertrennt wurde. Einzelheiten der Beispiele 1 bis 4 sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt. Die Druckabfälle sind in Pascal angegeben und wurden unter normierten Luftstrombedingungen im eingeschlossenen Zustand gemessen, d.h. daß nur die Stirnflächen des Filterelements der Luftströmung ausgesetzt waren.
  • Das Dampf-Rückhaltevermögen der Filterelemente gemäß Beispiel 3 und 4, jedoch mit einer Länge von 15 mm anstelle von 60 mm wurde geprüft. Die 15 mm langen Filter wurden an kommerziellen schlanken Zigaretten angebracht und mit einer Normrauchmaschine unter Normbedingungen angeraucht, die Abgabe der verschiedenen Dampfphasenkomponenten wurde chromatographisch gemessen; obwohl die Filterstopfenumhüllung perforiert war, wurde eine seitliche Ventilation des Filters verhindert, so daß man Werte unter "eingeschlossenen" Bedingungen erhielt. Die Werte des Rückhaltevermögens sind im Vergleich mit einer Kontrolle in Tabelle 2 in Prozent angegeben.
  • TABELLE 1
    Figure 00100001
  • TABELLE 2 Dampfphasenverhalten
    Figure 00100002
  • BEISPIEL 5
  • Stäbe mit einer Länge von 90 mm und einem Umfang von 24,13 mm wurden wie bei den Beispielen 1 bis 4 unter Verwendung von 12 Polyesterfäden (Trevira 550 dtex), flüssigem PVA-Kleber (Borden Plastiflex A401), Aktivkohlegranulat (Chemviron SC2) mit einer Partikelgröße entsprechend 12/30 Britisch Normsieb und einer doppelten Umwicklung mit poröser Ecusta-Stopfenumhüllung hergestellt. Die Kohlebeladung der Stäbe betrug 13,6 mg/mm und der Druckabfall an einem 90 mm langen Stab betrug 373 Pa.
  • BEISPIEL 6
  • Um Dreifachfilter zu bilden, wurden die 90 mm langen Filterstäbe des Beispiels 5 in Stücke von 15 mm zerschnitten und Ende-an-Ende aneinanderstoßend mit 12 mm langen, nicht umhüllten Stäben aus gebundenem Zelluloseacetat-Faserkabel (Faserdenier 5, Kabeldenier 30 × 103) einer konventionellen Umhüllungsvorrichtung zugeführt, in der sie mit der genannten porösen Stopfenumhüllung unter Bildung eines kombinierten Stabes umhüllt wurden. Der kombinierte Stab wurde dann in der Mitte jedes der 12 mm langen Zelluloseacetatteile zerschnitten um Dreifachfilter zu erhalten, die jeweils ein 15 mm langes Stück des Stabes gemäß Beispiel 5 enthielten, das durch die äußere Ecusta-Stopfenumhüllung in Längsrichtung angrenzend zwischen 6 mm langen Zelluloseacetat-Endstopfen gehalten wurde. Diese Dreifachfilter waren 27 mm lang und hatten einen Umfang von 24,42 mm sowie eine Kohlenstoffbeladung von 204 mg pro Filter. Der Druckabfall der Dreifachfilter betrug 275 Pa, ihr Teerrückhaltevermögen 40,5% und ihr Nikotinrückhaltevermögen 25,6%; das Rückhaltevermögen für Dampfkomponenten war wie es in Tabelle 2 ausgeführt ist.
  • Bei den Beispielen 5 und 6 sind alle verwendeten Stopfenumhüllungen porös, dies ist jedoch nicht wesentlich; bei den Stopfenumhüllungen kann es sich in gleicher Weise um poröse, undurchlässige und perforierte Typen handeln. Die Druckabfälle und die Rückhaltevermögen wurden bei den Beispeilen 5 und 6 wie bei dem Beispiel 1 und 4 im eingeschlossen Zustand gemessen.

Claims (6)

  1. Filterstruktur mit Substratelementen aus längs ausgerichteten Fäden und/oder Streifen, die jeweils mit an ihnen anhaftendem teilchenförmigen Sorptionsmittel vorbeschichtet sind und die zu der Filterstruktur zusammengefaßt sind, welche bis zu 15 solcher Substratfäden enthält und im wesentlichen vollständig aus dem teilchenförmigen Sorptionsmittel besteht.
  2. Filterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Rohrform ausgebildet und mit einem Kern versehen ist.
  3. Filterstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 5 bis 10 Substratfäden.
  4. Filterstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige Sorptionsmittel Aktivkohlegranulat enthält.
  5. Filterstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befrachtung der Substratfäden mit teilchenförmigem Sorptionsmittel 0,25 bis 2,0 mg/mm beträgt.
  6. Kombinationsfilter, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Filterstuktur nach einem der vorstehenden Ansprüche längs fluchtend mit mindestens einem weiteren Filterelement enthält.
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